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計算模塊印制電路板的熱設計和熱仿真分析

所屬欄目:電子技術論文 發布日期:2019-09-23 09:39 熱度:

   摘 要:首先建立了某電子設備計算模塊印制電路板的三維模型,然后依據熱傳學理論,使用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對三維模型進行了熱仿真分析,最后獲得了計算模塊印制電路板的溫度場,熱分析結果為印制電路板的結構設計及布局提供了參考。

  關鍵詞:印制電路板;熱仿真分析;ANSYS Workbench;溫度場

計算模塊印制電路板

  0 引言

  近年來,隨著先進制造技術在電子設備生產過程中的應用,電子設備已經向便攜式、集成化、高密度和高運算速度方向發展,印制電路板(PCB)上元器件的數量和集成度不斷增加,功率損失也相應增加,同時導致單位體積電子元器件的發熱量增加[1] 。鑒于電子設備的高度集成性、計算快速性和運行穩定性等要求,對電子設備的熱設計要求也越來越高。相關統計數據顯示,55%的電子設備失效與過高的熱環境應力有關。熱問題已成為影響設備使用性能和運行可靠性的關鍵因素之一[2] 。 PCB作為電子設備的重要組成部分,其設計合理與否直接影響設備的性能高低,嚴重時甚至會損壞電子設備[2] 。因此,對PCB上的元器件進行熱仿真分析就顯得十分必要。電子設備的熱分析通常分為系統級、板級及封裝級3個層次。本文研究對象為某電子設備計算模塊印制電路板,屬于板級熱分析的范疇[3-4] 。現首先建立某電子設備計算模塊印制電路板的三維模型,然后依據熱傳學理論,使用有限元分析軟件ANSYS Workbench對三維模型進行熱仿真分析,獲得計算模塊印制電路板的溫度場,根據熱分析結果為印制電路板的結構設計及布局提供參考。

  1 建立印制電路板的三維模型

  1.1 模型的簡化假設實際的計算模塊印制電路板是由元器件和印制電路板基板組成,為了能夠進行熱分析,必須對PCB結構進行合理簡化,使其成為仿真分析模型[5] 。首先,對于PCB上外形結構小的電阻、片式電容,由于其體積小、熱容量小,產生的熱量對整個PCB的溫度分布影響不大,在計算時可將其忽略。其次,對于PCB上外形結構較大的發熱元器件,由于其封裝和材料性質不同,必須對其結構進行簡化;對于外形結構規則的器件,在熱分析時忽略其引腳,并用長方體或圓柱體代替。最后,印制電路板基板通常是復雜的多層結構,在建模時主要考慮其層數以及基板上金屬布線對PCB性能的影響,且忽略板上各種小的圓角、倒角及孔洞等細微結構[5] 。

  1.2 建立熱仿真分析模型依據表1中的數據,本文首先利用NX8.0軟件設計了兩種 PCB的三維模型,一種是將兩類4個發熱器件并列布置,如圖 1所示。另一種是將兩類4個發熱器件交叉布置,如圖2所示。

  2 印制電路板的熱仿真分析

  2.1 傳熱學理論在熱力學中,能量守恒定律亦稱為熱力學第一定律[6] ,即: Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE (1)式中,Q為熱量;W為功;ΔU為系統內能;ΔKE為系統動能; ΔPE為系統勢能。對于多數工程傳熱問題:ΔKE=ΔPE=0,通常認為沒有做功:W=0,則Q=ΔU。在穩態熱分析情況下:Q=ΔU=0;

  2.2 熱仿真分析基本傳熱方式有熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式。在 ANSYS Workbench中可以進行穩態和瞬態兩種熱分析,常見的載荷共6種:溫度、熱流率、對流、熱流、熱生成率、熱輻射[6] 。

  3 熱仿真結果分析

  在不同工況和不同布置方式下,印制電路板工作時各元器件的熱分析結果如表3所示。根據表3的熱分析結果,可獲得不同布置方式和散熱條通過分析表3和圖9的數據可得:(1)在自然條件和通風條件好的散熱情況下,印制電路板 上 的 最 高 溫 度 依 次 為 105.23 ℃ 、103.04 ℃ 、87.05 ℃ 、 85.297 ℃,均超過了設備長期運行時的允許溫度,不能滿足使用要求。改善散熱條件,在有散熱風扇的情況下,電路板上的最高溫度依次為77.249 ℃、75.216 ℃,均沒有超過設備長期工作時的允許溫度,滿足使用要求。(2)在相同的工況條件下,發熱元器件并列布置方式的最高溫度均低于交叉布置方式,兩種布置方式的溫差約為2 ℃。(3)在有散熱風扇條件下,發熱元器件并列布置方式的最高溫度與最低溫度差為41.73 ℃,低于交叉布置方式的最高溫度與最低溫度差45.3 ℃。并列布置方式的電路板由溫差引起的變形小于交叉布置方式。

  4 結論

  本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對計算模塊印制電路板進行熱分析,結果表明:(1)不管是并列布置方式還是交叉布置方式,在自然和通風條件好的散熱工況下,電路板上的最高溫度均超過了工作時的允許溫度,不能滿足設備長期運行要求。當有散熱風扇時,電路板上的最高溫度均低于運行的允許溫度,滿足設備長期運行要求。在設備設計時,需要加裝風扇進行散熱。(2)在相同的工況條件下,發熱元器件不同的布置方式會產生不同的溫度分布,并列布置方式下的最高溫度、溫差、變形均小于交叉布置方式。因此在電路板設計時選擇發熱元器件并列布置的方式。本文通過對印制電路板進行熱仿真分析,可以為電路板的設計提供一定的理論依據,同時為設備的散熱提供了參考,對后期設備的研發具有重要意義。

  [參考文獻]

  [1] 馬巖.印制電路板詳細模型的熱仿真分析[J].機械設計與制造工程,2016,45(1):52-55.

  [2] 張世欣,高進,石曉郁.印制電路板的熱設計和熱分析[J].現代電子技術,2007,257(18):189-192.

  [3] 黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設計[D].西安:西安電子科技大學,2010.

  《計算模塊印制電路板的熱設計和熱仿真分析》來源:《機電信息》,作者:令狐克均、饒應明、劉忠翔、李楊。

文章標題:計算模塊印制電路板的熱設計和熱仿真分析

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